分子结构探究（弄清巨大分子的结构）

将AlphaFold2与实验和计算技术相结合，有助于科学家比以往更详细地了解人类核孔复合体的结构。

人类核孔复合体（NPC）是一个真正的分子巨体，位于将细胞核与细胞质分离的膜上。它呈甜甜圈状，既是细胞质和细胞核之间分子的通道，也是分子的检查点。因此，NPC促进细胞中的基本过程，如基因表达和翻译。核运输系统也在几种疾病中发挥作用，包括神经退行性疾病、癌症和病毒感染。

NPC的结构是什么？它的蛋白质是如何粘合在一起的？它是如何附着在核膜上的？EMBL汉堡的科辛斯基小组和结构系统生物学中心（CSSB）、马克斯·普朗克生物物理学研究所的贝克和悍马实验室以及合作者现已回答了这些问题和其他问题。他们将蛋白质结构预测程序AlphaFold2与冷冻电子断层扫描、单粒子冷冻电镜和综合建模等技术相结合，创建了迄今为止最完整的人类NPC模型。

对于结构生物学家来说，人类NPC是一个具有挑战性但令人兴奋的3D难题，大约有30种不同的蛋白质以多个拷贝的形式存在。这相当于大约1000个拼图块，它们与周围的柔性部件形成一个圆形的核心。到目前为止，人类NPC核心的最精确模型只覆盖了结构的46%。但现在，在该领域20年前研究的基础上，科学家们创造了一种新的NPC结构模型，覆盖了其90%以上的核心。

虽然先前提出的NPC模型有缺口，并且只包含一些片段中的蛋白质，但新模型消除了大部分这种模糊性。

EMBL小组负责人Jan Kosinski说：“就像你拆卸和重新组装电子设备一样。总是会有一些螺钉留下，你只是不知道它们应该在哪里。”。“我们最终成功地安装了大多数，现在，我们确切地知道它们在哪里，它们做什么，以及如何安装。”

科学家们是如何做到这一点的？关键是将几种实验和计算方法结合起来。这使科学家能够在不同的尺度和细节层次上对NPC进行可视化。

例如，为了模拟NPC的整体轮廓，研究人员使用了低温电子断层成像技术。通过这项技术，他们能够在细胞环境中观察NPC，而不是孤立观察。由DeepMind公司创建的基于人工智能的预测蛋白质结构的程序AlphaFold2揭示了单个蛋白质构建块的更多细节。

“AlphaFold2对我们来说是一个突破性的时刻，”进行分子建模的博士后阿格涅斯卡·奥巴斯卡·科西恩斯卡（Agnieszka Obarska Kosińska）说。“以前，我们不知道NPC中许多蛋白质的结构。如果你不知道这些片段是什么样的，你就无法拼凑出一个谜团。但αfold2与其他方法相结合，使我们能够预测这些形状。”

为了进一步完善这张图片，研究人员使用了ColabFold，一种经过科学界修改的AlphaFold2版本来模拟蛋白质之间的相互作用。这使他们能够想象不同的拼图块如何组合成更小的子复合体，以及这些子复合体如何粘合在一起形成NPC。

最后，他们使用Kosinski小组之前开发的Assembline软件将所有部件组装在一起，并根据实验数据进行验证。

由此产生的模型是如此完整和详细，以至于研究人员能够创建时间分辨的分子模拟，解释NPC蛋白质和核膜如何相互作用以创建稳定的孔，以及它如何对机械线索作出反应。

这项工作是NPC研究的一个重大飞跃，但仍有许多需要探索的地方。

马丁·贝克说：“这项工作举例说明，在未来，结构生物学将如何拥抱细胞生物学，为在细胞不同部位发挥不同功能的越来越大的分子组合创建原子模型。”。格哈德·悍马表示同意：“我们现在可以考虑建立一个完整的NPC动态模型，并详细模拟核运输。”

科辛斯基小组未来的工作目标是开发利用AlphaFold2和他们自己的软件汇编集成结构和显微镜数据的自动方法。他们计划将这些方法应用于研究驱动病毒感染的分子过程。